IBM和三星在半導體設計方面取得重大突破

在2021 IEEE國際電子器件會議(IEDM)上，IBM和三星聯合宣布，他們在半導體設計方面取得一項重大突破。

IBM和三星采用了一種新的垂直晶體管架構，即垂直傳輸場效應晶體管(Vertical Transport Field Effect Transistors，VTFET),該架構展示了超越納米片的擴展路徑，并且與按比例縮放的鰭式場效應晶體管 (FinFET)相比，有可能將能耗降低 85%。

在紐約奧爾巴尼的納米技術中心(Albany Nanotech Complex)擁有世界領先的半導體研究生態系統，通過這種協作創新，帶來了強大的創新渠道，有助于滿足半導體制造需求，并加速全球芯片行業的發展。全球半導體短缺凸顯了在芯片研發中投資的關鍵作用，以及芯片在計算、家電、通信設備、交通系統和關鍵基礎設施等方方面面的重要性。

新的垂直晶體管突破可以幫助半導體行業繼續其不懈的旅程，實現重大改進，包括：

? 改進器件架構，使半導體器件的擴展能夠繼續超越納米片。

? 手機電池可以使用一周以上不用充電，而不是幾天。

? 可能使加密操作和數據加密等能源密集型工作需要的能源大大減少，從而減少碳足跡。

? 物聯網和能源需求較低的邊緣設備將持續擴展，使它們能夠在更多樣化的環境中運行，例如海洋浮標、自動駕駛汽車和航天器。

在傳統芯片設計中，晶體管一直是平放在半導體表面上，電流橫向流動，就是從一側到另一側。借助新型垂直傳輸場效應晶體管(VTFET)，IBM 和三星成功實現了垂直于芯片表面構建晶體管，從而具有垂直或上下流動的電流。

摩爾定律正在迅速接近被認為是不可逾越的障礙。簡而言之，隨著越來越多的晶體管被塞進一個有限的區域，工程師們的空間就快用完了。VTFET 工藝解決了許多性能障礙和擴展摩爾定律的限制。它還影響晶體管的接觸點，允許更大的電流流過而能量浪費更少。

VTFET將晶體管以垂直方式堆疊，并且讓電流也以垂直方式流通，借此讓晶體管數量密度再次提高之外，更大幅度提高了電源使用效率，突破了目前的制程設計瓶頸。VTFET另辟蹊徑，攻克了常規做法所面臨的諸多難以逾越的困難和瓶頸，使芯片設計人員可以在相同的面積上放置更多的晶體管，而整體上不會增加較大的功耗。

在相同占位面積和激進的低于 45nm 柵極間距兩種情況下，將VTFET 納米片和按比例縮放的 FinFET 器件仿真結果進行比較。由于 VTFET 保持良好的靜電和寄生效應，而 FinFET 性能受到嚴格的縮放限制的影響，VTFET 納米片在等效功率下提供了按比例縮放的 FinFET 約 2 倍的性能?；蛘?，與外推的功率性能曲線上的等效頻率相比，VTFET 與按比例縮放的 FinFET 架構相比功率降低可以多達 85%。

IBM和三星雙方在芯片領域的探索合作還不止于此。此外，三星將用5納米工藝為IBM代工制造芯片，預計是用于IBM的服務器平臺。在這之前，IBM Power10 系列服務器中的處理器和 IBM Telum處理器也是由三星采用7納米工藝代工制造的。

近期，IBM方面還宣布在2納米芯片制造技術方面取得了重要突破，可實現在指甲大小的空間中安裝多達 500 億個晶體管。IBM的半導體突破很多，包括首次實現 7 納米和 5 納米工藝技術、高 k 金屬柵極技術、SiGe溝道晶體管、單單元 DRAM、Dennard 比例定律、化學放大光刻膠、銅互連布線、絕緣體上硅技術、多核微處理器、嵌入式 DRAM 和 3D 芯片堆疊等。

VTFET 創新專注在一個全新的維度，它為摩爾定律的延續提供了新途徑，當然也可以進一步提高芯片的性能。IBM 研究院混合云和系統副總裁 Mukesh Khare 博士表示：這項新技術突破傳統思路，重新思考我們應該如何持續推動社會進步，通過提供新的創新來改善人類生活和工作，并減少對環境所帶來的負面影響。

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審核編輯：湯梓紅